TiB_(2)掺杂WS_(2)复合薄膜的宽温域摩擦学性能研究

作者：刘进龙; 李红轩; 吉利; 刘晓红; 张定军

来源：表面技术, 2022, 1-16.

• WS2/TiB2复合薄膜
• 宽温域
• 机械性能
• 摩擦磨损
• 晶体取向

目的：探究TiB2溅射电流(即TiB2含量)对WS2/TiB2复合薄膜在宽温域（25～500 ℃）的摩擦学性能的影响。方法：用非平衡磁控溅射技术制备了WS2/TiB2复合薄膜。通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）观察了薄膜的形貌及结构；通过X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子能谱仪（XPS）表征了薄膜结构；通过纳米压痕仪(Anton Paar，NHT2) 评价薄膜的机械性能；利用高温球盘摩擦磨损试验机（THT01，03591）测试薄膜的摩擦学性能；采用光学显微镜（Olympus，STM6）、三维轮廓仪（Micro XAM，800）观察磨痕及磨斑形貌，通过HRTEM分析磨痕和磨斑的结构。结果：TiB2掺杂使WS2薄膜由高度结晶态向非晶态转变，增加了薄膜的致密度，提高了薄膜的机械性能。随着TiB2溅射电流的增加 ，复合薄膜的摩擦系数和磨损率呈先下降后上升的趋势。随着实验温度的升高，复合薄膜的摩擦系数先降低后升高，但磨损率逐渐升高。TiB2溅射电流为1.5 A时制备的复合薄膜在宽温域（25～500 ℃）具有较低的摩擦系数和磨损率。300 ℃条件下，TiB2溅射电流为1.5 A时制备的复合薄膜在摩擦剪切力作用下重新定向形成平行于滑动方向的WS2（002）晶体取向，形成了TiB2（101）晶体取向，以及高环境温度和摩擦热作用下氧化形成了润滑相TiO2（001）晶体结构。结论：TiB2溅射电流为1.5 A时制备的复合薄膜具有优异的宽温域摩擦学性能。薄膜致密的非晶结构、高的硬度和弹性模量、以及在摩擦剪切力和高温氧化作用下重新结晶取向是低摩擦磨损的关键所在。

• 单位
  中国科学院兰州化学物理研究所; 固体润滑国家重点实验室; 兰州理工大学; 材料科学与工程学院